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2022.10封面文章 | 自供电、长寿命、高选择性油-固摩擦纳米发电机,可用于能量收集和智能监测

已有 720 次阅读 2022-9-26 14:11 |系统分类:论文交流

摩擦纳米发电机 (TENG)具有结构简单、选材丰富等优点,在能源收集和石油状态监测中显示出了巨大的潜力。石油是工业的“命脉”。人们普遍认为,润滑油的高灵敏度、在线监测对于智能机器的发展至关重要。然而,传统的油-固TENG(O-TENG)由于存在不可逆的油界面吸附和结垢的现象,导致其出现信号输出低、使用寿命短和难以区分污染物类型的问题。这使得将O-TENG 用作能量收集技术或自供电传感器变得更具挑战性。因此,探索并构建油-固接触的自供电、持久耐用和高选择性O-TENG是非常重要的。
Self-Powered, Long-Durable, and Highly Selective Oil–Solid Triboelectric Nanogenerator for Energy Harvesting and Intelligent Monitoring

Jun Zhao, Di Wang, Fan Zhang, Jinshan Pan, Per Claesson, Roland Laesson, Yujun Shi*

Nano-Micro Letters (2022)14: 160

https://doi.org/ 10.1007/s40820-022-00903-8

本文亮点

1. 开发了具有高电子捕获能力和高抗油吸附性的受控表面润湿特性的智能涂层。基于该涂层,制备了用于油-固接触的自供电、持久耐用和高选择性的油-固摩擦纳米发电机(FO-TENG),具有出色的电输出性能,比商业电介质材料制成的O-TENG高出一个数量级。

2. 所设计的基于FO-TENG的传感器可以检测油中至少低于0.01wt%的颗粒污染物和低至100 ppm的水污染物, 效果远高于其他在线监测方法(颗粒>0.1 wt%; 水>1000 ppm)。

3.成功开发了一种高选择性监测系统,用于区分润滑油中的水污染和多种混合污染物。

内容简介
瑞典吕勒奥理工大学史以俊教授课题组基于具有受控表面润湿特性的智能涂层,制备了用于油-固接触的自供电、持久耐用和高选择性的FO-TENG。与由商业介电材料(聚四氟乙烯和聚酰亚胺)制成的 O-TENG相比,由于制备的涂层具有高电子捕获能力和高抗油吸附性,使FO-TENG具有高输出性能(电荷密度为9.1 μC m⁻2,功率密度为1.23 mW m⁻2)和长寿命特性(30000次循环),可以为自供电传感器应用的数字温度计供电。此外,基于受控表面润湿特性的智能涂层的O-TENG,不仅能够高精度实时检测油中的颗粒/水污染,同时还具有高选择性。这项工作的研究将为油-固界面能量收集和准确的油质监测开辟新的智能途径。
图文导读
FO-TENG的物理化学结构及物相分析

想要得到用于油-固接触的自供电、持久耐用和高选择性的 O-TENG,需要开发和使用具有受控表面润湿特性的智能涂层。因此我们通过不同比例的阴离子氟碳表面活性剂(Fc)和 全氟烷基硅烷(Fs)修饰O-TENG,制备出了分层的细胞状结构的FO-TENG,如图 1a和图 1b所示。为了验证 FO-TENG 的化学结构,对其进行了 FTIR 和 XPS 光谱的分析。结果表明Fs通过强共价键成功沉积在表面,提高了涂层的机械性能并且根据 XPS扫描光谱,FO-TENG的Fc 对涂层表面的氟含量的贡献更大,其中FO-TENG (18-20)的表面含氟量明显较高,具有比其他比例的FO-TENG以及纯的PTFE更强的电子捕获能力。从图1g可以看出,FO-TENG 的润湿行为受 Fc 的影响很大。当添加的 Fc 超过 1 g 时,FO-TENG的油接触角大于 150° ,实现了FO-TENG的超疏油性能。

图1. (a) FO-TENG 的摩擦起电机制示意图;(b) 喷涂过程示意图; (c) 和(d)分别为 FO-TENG 表面的二维和SEM 形貌; (e) FO-TENG 的 FTIR 光谱,插图:探针按压时的力-位移曲线; (f) FO-TENG 表面的XPS 光谱; (g) FO-TENG 的接触角(油和水),插图:石蜡油和去离子水接触角图像。

II FO-TENG的电输出性能

为表征O-TENG的性能,我们将O-TENG (3 × 3 cm2) 连接到油箱的内壁,并采用直线电机驱动油箱运动,系统地研究了不同电介质材料下的O-TENG电输出性能。通过图2a-c可以发现,相比于基于商业电介质材料(PI 或 PTFE)和铝电极的 O-TENG 而言,所设计的单电极 FO-TENG具有显著增强的摩擦电性能以及出色的电输出(开路电压为 6.0 V,短路电流为 12 nA,转移电荷为1.82 nC(电荷密度为 9.1 μC m⁻2),比传统商业电介质材料的O-TENG 高一个数量级)。这是因为FO-TENG表面高含量的 F 原子提供了强大的电子捕获能力,以及FO-TENG的超疏油性能大大减弱界面油残留导致的电场屏蔽效应,从而实现了更高的信号输出。

图2. (a)-(c) FO-TENG (18-20) 与其他 O-TENG 的油固接触开路电压、短路电流和转移电荷曲线; (d)历年油-固接触摩擦电输出性能比较。

III FO-TENG的耐用性和能量收集

所设计的 FO-TENG 不仅能产生高输出,而且具有更好的耐用性,其30000次循环后输出仍能保持初始输出的约90%(图 3a)。在工作频率为 2 Hz的条件下, FO-TENG的电压值高达5.5 V,远高于其他 O-TENG(低于 0.5 V)(图 3b)。这是由于其他 O-TENG,具有低油接触角,界面油污残留等问题,导致信号输出减少和耐久性降低,而FO-TENG几乎没有上述问题。为了研究能量收集能力,作者将FO-TENG通过全波整流器为商用电容器充电,FO-TENG能够在30秒内将电容器充电至 1 V,而商业材料制备的 O-TENG 仅将电容器充电至约 0.1 V(图 3c)。为了提高 FO-TENG 的摩擦起电能力,作者研究了基于双电极模式的大型 FO-TENG(接触面积 ~ 8 × 1 cm2),该 FO-TENG 的开路电压和短路电流分别高达 22.5 V 和50 nA。在 1000 MΩ 的负载电阻下,实现了最大输出功率密度 (1.23 mW m⁻2 )。作者用大尺寸 FO-TENG收集油波能量,为温度计显示器供电(图 3g)。该FO-TENG 可在 220 秒内将电容器 (33 μF) 充电至约 2.5 V,可为温度计供电约 10 秒(图 3 i)。因此,FO-TENG具有高输出性能和长期耐用性,可在油性环境中用作电源。

图3. (a) FO-TENG (18-20) 对油固接触的耐久性测试;(b) TENG的电压输出比较; (c) 电容为 4.7 μF 的电容器上累积的电压,插图:用于转换交流信号的桥式整流器的等效电路模型; (d)和(e) 基于双电极模式的大型FO-TENG(图S12)的开路电压和短路电流; (f) 各种负载电阻的峰值电流、电压和功率; (G) 两个分别由电池和大型 FO-TENG 供电的用于实时和在线监测油温的商用监视器; (h) 显示器显示油温的真实图像;(i) 大尺寸FO-TENG为商用显示器供电的充放电曲线。

IV 基于FO-TENG的在线智能监控
水/湿气污染物很容易通过冷却剂泄漏或周围环境中的水冷凝渗透到油中,从而加剧了损坏油质和腐蚀机器的风险。其中仅含1 wt% 水分的油就能导致机器元件的额定使用寿命缩短近 90%。并且在实际中,油还同时含有侵入水、沉积碳和磨损碎屑,因此对润滑油进行智能监测是非常有必要的。然而,目前大多数可用的传感器只能以相对较低的灵敏度监测一种特定污染物,无法区分和确定受污染油中水和其他污染物的含量。因此这些传感器不足以通过评估润滑油性能预测机器的健康状况。我们所设计的FO-TENG可以检测到至少低至0.01wt%的颗粒污染和低至100 ppm的水污染实现了对润滑油质量的高灵敏度、实时和在线监测,并且开发了基于两种类型的FO-TENGs的高选择性监测系统,用于识别水污染。侵入的水可以成功地从多种混合的污染物中区分出来。因此,本工作中设计的FO-TENGs将为油-固界面能量收集和准确的油质监测开辟新的智能途径。
图4. ( a, b)炭黑负载石蜡油的电压输出; (c) 与 O-TENG (PTFE/PI/Al) 相比,FO-TENG (18-20) 的可逆自清洁性; (d) 与含水石蜡油接触的 O-TENG 的归一化电压输出比较; (e)  FO-TENG (1.5-20) 接触含水油的电压输出; (f) FO-TENG 的电压输出,用于识别含有污染物的石蜡油(炭黑:0.1 wt%)中的水份; (g) FO-TENG 的电压输出,用于识别商业含污染物润滑油中的水份; (h) 通过表面润湿性设计识别油中侵入水的 FO-TENG 系统示意图。
作者简介
赵军
本文第一作者
瑞典吕勒奥工业大学 博士后
主要研究领域
机械工程、摩擦磨损、材料科学。
史以俊

本文通讯作者

瑞典吕勒奥工业大学 教授
主要研究领域
摩擦学及材料科学,绿色可持续润滑、极端工况润滑及智能润滑。

主要研究成果

瑞典吕勒奥工业大学工程科学与数学系教授,在摩擦学和材料领域有近15年的研究经验。主持瑞典 Energimyndigheten、VINNOVA、Formas、MISTRA等多项国家级项目、瑞典Kemepe、Lantmännen、Vattenfall等多项企业及协会项目,近3年来主持项目的研究经费近2000万元瑞典克朗(约1700万元人民币)。相关工作已经在国际知名期刊上发表论文50余篇(包括Chem comm、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Phys. Chem. B、J. Phys.Chem. C、J. Colloid Interface Sci、RSC Adv.、Trib Int.、Trib Lett.等),被引近800次(H-index=17) ,是三项国际专利的主要发明人,此三项国际专利现均已被相关公司购买并工业化应用,作为第一完成人获2016年度瑞典国家Venture Cup创业大赛一等奖,获瑞典2015年度未来成就奖(2015年全瑞典仅一人获此奖),于2015年在瑞典创办一家绿色润滑油公司,引领着瑞典绿色润滑技术。

Email:yijun.shi@ltu.se

撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2021JCR影响因子为 23.655,学科排名Q1区前5%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624




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